羧基化纤维素纳米纤维气凝胶：兼具阻燃与隔热性能的智能火灾预警系统新材料

为解决传统火灾预警材料响应时间短、阻燃性能不足的问题，研究人员通过冷冻干燥技术构建了由羧基化纤维素纳米纤维(CCNF)、氧化石墨烯(GO)和钠基蒙脱石(Na-MMT)组成的三维多孔智能气凝胶。该材料在50% CCNF配比(CCNF-GMB-50)下展现出74mA高持续电流和300s超长警报时长，同时使平均热释放率(PHRR)降低36.92%，CO2峰值产率下降51.61%，为建筑防火与化工安全提供了创新解决方案。

　　

火灾安全一直是全球面临的重大挑战，从伦敦格伦菲尔塔楼到巴黎圣母院的惨痛火灾事件，暴露出传统防火材料在响应速度和持续防护能力上的不足。纤维素作为储量最丰富的生物聚合物，其衍生物羧基化纤维素纳米纤维(CCNF)虽具有可降解、轻质等优势，但存在易燃和热稳定性差的问题。如何赋予CCNF基材料长效阻燃和实时报警的双重功能，成为材料科学领域亟待突破的难题。

内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表创新成果，通过冷冻干燥技术将CCNF与氧化石墨烯(GO)、钠基蒙脱石(Na-MMT)交联，构建出具有三维多孔结构的智能气凝胶。研究采用TEMPO介导氧化法制备CCNF，通过超声辅助混合GO和Na-MMT悬浮液，经硼酸(BA)交联后冷冻干燥成型。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和锥形量热仪等表征手段，系统评估了材料的微观结构、热稳定性和火灾预警性能。

物理性能与形貌特征

CCNF-GMB-50气凝胶密度仅0.143g/cm³，能承受250g重量负载而不变形。SEM显示其具有连续的三维网络结构，CCNF纤维通过氢键插入GO片层之间，形成致密的层级孔壁增强结构。相较CCNF-GMB-30的松散堆叠，50% CCNF含量使气凝胶孔隙率提升32%。

结构表征与阻燃机制

FTIR证实CCNF与GO通过酯键交联，XPS显示Si元素含量从1.55wt%提升至4.09wt%。燃烧后残炭分析发现，CCNF-GMB-50形成连续致密碳层，硅氧基团催化成炭反应，使残炭率从30%提升至47%。热重分析表明，其热分解起始温度延迟60°C，CO₂释放峰值时间从32s延长至61s。

热绝缘与火灾预警性能

红外热成像显示，在280°C加热板温度下，CCNF-GMB-50表面温度比纯CCNF低4.8°C。火灾测试中，材料在触发警报后仍能维持300秒持续电流输出(74mA)，电阻最低达270Ω。锥形量热显示其峰值热释放率降至19.1kW/m²，CO₂产率降低51.61%，归因于Na-MMT的"纳米填料网络"效应。

该研究通过分子级设计实现了材料多功能集成：GO的热还原特性赋予快速电响应能力，Na-MMT的层状结构增强炭层屏障作用，而CCNF的三维网络既作为骨架支撑又提供碳源。这种"预警-阻燃-隔热"三位一体的特性突破，为高层建筑、文物保护和危险品仓库等场景提供了革命性解决方案。特别是300秒的超长警报时长，远超现有60秒水平的材料，为人员疏散争取了关键时间窗口。研究不仅为智能防火材料开发提供新范式，也拓展了生物质纳米纤维在高附加值领域的应用前景。